Les batteries sont-elles la bonne option pour un développement durable ? - Prof. Jean-Marie Tarascon
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28-29 Janvier, 2020
Les batteries sont-elles la
bonne option pour un
développement durable ?
Prof. Jean-Marie Tarascon
Rôle de la batterie dans la transition énergétique
Transition
énergètique
Efficacité de (~20%)
à un coût de
3 US cents par kWh
Comment lisser Large
Stockage
ces fluctuations ? variations
Une option pour stocker l’énergie : Le stockage électrochimique
Chimique Électrique
Batteries
Plus grande avancée
en électrochimie au
cours du siècle dernier
Batteries à ions lithium: principes de fonctionnement
4.2
V
+ - 4.0 Efficacité énergétique
Cathode Non-aqueous Anode
Électrolyte
electrolyteliquide 3.8
Non-aqueux
Li + 3.6
Li +
3.4
(LiCoO2)
(Graphite) 3.2 Densité d’énergie
Li1-xCoO2+ xLi++xe- LiCoO2 LiC6 Li+ + C6 + e- 3.0
Densité d’énergie (Wh/kg) = Potentiel V (volts) x Capacité (Ah/kg)
Tension de sortie d’une batterie Quantité d'énergie électrique
qui dépend de la structure délivrée par une batterie d’1 kg
électronique du matériau en une heure
Evolution de la densité énergétique des piles rechargeables
Où en serions-nous si les batteries
avaient suivi la loi de Moore ???
1040
2006: 1 kg de batterie suffirait à
alimenter l‘humanité en énergie
Densité d’eénergie Joule/Kg
pendant 50000 ans
1030
1950: 1 kg de batterie suffirait à
alimenter l‘humanité en énergie
pendant 1h20
1020
1928: L’énergie de 1kg de
1010 batterie serait égale à celle
de la 1ère bombe atomique
1860: La 1ère batterie acide-plomb de
Gaston Planté
100
1850 1900 1950 2000 2050
La batterie Li-ion a doublé Très loin de la loi
sa densité d’énergie en 30 ans de Moore ? Année
Les progrès ont été limités par la chimie…
• Picture Sources: http://www.batteryfacts.co.uk/BatteryHistory/Plante.html
Batterie Li-ion: un travail de longue haleine - Nobel 2019
1980 1980
John B Akira
Goodenough Yoshino
1976
M. Stanley
Whittingham
Courtoisie de B. Brousseley (Saft)
Dernière révolution en matière de coût
Annonce d’ E. Musk en avril 2015
Au niveau
du pack
100$ / kWh
Dollars / kWh
Au niveau
de la cellule
(5 milliards de cellules par an !!!) (Prix divisé par 10 sur les 10 dernières années)
Révolution dans le monde des fabricants et utilisateurs de batteries
Répercussions en cours au niveau de l’Europe
Le BOOM du véhicule électrique (VE)
Vente des VE
devraient
dépasser la
limite des
25 millions
en 2025
2020
Plus de 400
modèles
annoncés
Le véhicule électrique est-il la solution pour un monde durable ?
La meilleure solution pour une faible empreinte CO2 ?
Importance de la source d’énergie primaire Analyse du cycle de vie
Energy required (kWh per kWh produced)
Ishihara, K. et al. Life Cycle Analysis
Proc. 5th Int. Conf. EcoBalance, 293‐294 (2009).
Assemblage d’une batterie de 1kWh
Energie provenant de Energie nécessaire ≈ 327 kWh
centrales thermiques : Non CO2 rejeté ≈ 90 kg
D. Larcher and J.M. Tarascon, Nature Chemistry (2015)Science et innovation pour le développement de batteries
plus vertes : Quelles tendances ?
□
Elaboration de matériaux performants
à partir d’éléments abondants
□ Développement
énergivores
de synthèses moins
□ Utilisation d’électrodes organiques
renouvelables provenant de la biomasse
L iO
L iO
O
O
O
O
Li2C6O6
□ Exploration de nouvelles chimies au-delà du Li, plus éco-compatibles
□ Développer des batteries intelligentes à longue durée de vie
J. Miot et al. EES, 7, 451-460, 2014 H. Chen et al. ChemSusChem 1, 348–355 (2008). J.M. Tarascon et al; Nature chemistry, November 17th,2014.Les oxydes lamellaires : Evolution de leur capacité
au fil des années via la chimie
LiCoO2 (1991) lamellaires (2008)
Oxydes
Remplacement du
Co par le Ni et Mn
(150 mAh/g) (180 mAh/g)
(Used in
Extraction du Co: EV’s)
une question d’étique
Durabilité
de la
technologie
Li-ion actuelle
?La batterie Li-ion : Maitrise de sa chimie pour une grande durabilité
Septembre
2019
260000 fois
J. Dahn
Trois années
de tests sur
Cellules
(NMC(532)/Carbone)
Challenges restant associés à la technologie Li-ion…
…La technologie Li-ion : Que pouvons-nous espérer ?
Li-richNMC/C(Si) Comment obtenir 800Wh/l
Li-NMC(811)/C(Si)
et aller au-delà
Li-NMC(622)/C ~ 700 Wh/l ?
~ 300 Wh/kg
700 Les batteries
tout solideLes batteries tout solide : Le plus grand engouement
d’aujourd’hui dans le domaine des batteries
Recherche tirée par l’industrie Avantages des batteries tout solide
Tous les composants sont solides
Utilise Li métal
+ 40% Wh/l ,
60% Wh/kg
Electrolyte solide Configuration bipolaire
par rapport à liquide
Plus de sécurité Plus compacte plus de Wh/lLes batteries tout solide sont sur la feuille de route
de toutes les institutions
► La
vision du JaponProgrès substantiels au niveau des conducteurs ioniques
Kanno
Nature Materials
Li10GeP2S12 Vol. 10 - (2011)
σRT comparable to Liquid Garnets
LLZO (~10 -2)
electrolyte (10-3 -10-2 S·cm-1) a i
*σs la /S·cm-1
(~10 -3)s e s, m RT
a l
Perovskites prom LG-PS e t t e u m e n t
t
n (~10 i)veau f o n d a
o
2011
LISICON o lid e s
LLTO
LLTO -3
n io n
to u t s o)it a u al is a t
t e ri e s
LATP LiPON
e c s
(~10
e -4
m e r c i Interfaces
2007
Li3N Les ba -4 (~10
NaSI t
LPS-gl.
g-4u)e(~10
u
q ) t la co
-6 m
-4) (~10
e ra )lo n a v a n
s é
2000
-4 (~10
(~10 ) route p li q u t e . .
ou a p r é al i s
1993
e n t i r
l e m
1992
tota
1990
s t
1976
e
1981
1957
e 2 0 2 2
i b l e d
Greffage et enrobage L
ac
Ingénierie
de surfaceComment augmenter l’éco-compatibilité des batteries?
Diversification des batteries pour un développement durable
Time to market
long
moderate
soon
Na-ion batteries
(Li/Na)
Solid state batteries Redox flow batteries
Aucune d’entre elles n’a atteint un état de maturation…suffisant...Du Li-ion au Na-ion
3 6.941
11 22.941
Li Na
0.98 0.9
180.5 98
0.534 0.97
1s22s11
1s 2s22p 63s1
Lithium Sodium
Développer des batteries Na-ion … Mise au point d’une nouvelle technologie
CarbonePerformances des cellules Na-ion (NVPF/C)
Cyclage à 55°C Performance en cyclage
4.5
New electrolyte formulation
4.0
11th
15th
3.5 20th
C ell voltage (V )
0 10 20 30 40 50 60
140
3.0 55 C at C/10 120
C apacity ( m A h g -1 based on NVPF m ass )
120
100
Capacity retention (% )
100
80
80
2.5 60 One week at 55 C
60
40 40
Stockage à 0 volt
20 20
2.0 0 0
0 10 20 30 40 50 60
Cycle number
0 20 40 60 80 100 120
Capacity (mAh g-1)
1. Bonnes performances en T Les batteries Li-ion ne peuvent
pas être maintenues à OV
2. Très bonne durée de vie
3. Facile à transporter et à stockerLa puissance : Un autre avantage du Na-ion
►PUISSANCE – COMPARAISON AVEC LA CELLULE SCiB (Li-ion) de TOSHIBA
Recover capacity (Wh/kg)
Na-ion 3.7 V
Li-ion 2.7 V
Les cellules Na-ion affichent des performances Création d’une filière
qui se comparent favorablement à celles des française Na-ion
cellules Li-ion SCIB tout en ayant une tension en Picardie
de sortie plus élevéeComment allonger la durée de vie des batteries? Leur donner une seconde vie en y injectant de l’intelligence
La seconde vie des batteries
Donner aux batteries une double fonctionnalité
Meilleure traçabilité pour établir leur bilan de santé
en direct comme pour les êtres humains
Injecter de l’intelligence dans les batteries via
des
des capteurs (optiques, acoustiques, électriques.)
pour une surveillance en temps réel
C. Grey and J.M. Tarascon, Nat. Mater. 2016, 16, 45–56.Du diagnostic au traitement …
Développement de systèmes auto-réparants Batterie du futur intégrant des fonctions
de diagnostic et d’auro-réparation
Cylodextrine
Repousser l'âge de recyclage des batteries …
Température comme stimulus
F. Bétermier, . Cressiot, J. Pelta, .. And J.M. Tarascon , under reviewLes batteries et leur devenir : Anticiper le futur sans refaire
les erreurs du passé
L’histoire du plastique
1900s’- L’ère du polymère 2000s’- La pollution par le plastique, un problème majeur
L’Inde : le dépotoir des
plastiques du monde
Les batteries à ions Li , 100 ans plus tard ?
Crucial d’agir pour
anticiper le recyclage
2000s’- L’âge du
de grands volumes
véhicule électrique
de batteries
5Les batteries à ions Li : Quelques chiffres du marché
Li-ion en termes d’énergie stockée Li-ion en termes de masse à recycler
Volumes gigantesques
à recycler
GWh
GWH 700 GWh 150 Wh/kg
+/- 5MT par an
700 Electrification
(regulatory driver)
600
500
Portables
400 (social driver)
300
Energy
200 Storage
system
100
0
2015 2020 2025
Année
Agir maintenant pour anticiper le recyclage de 5 MT de batteries par an en 2025Défi scientifique à venir : Simplifier le recyclage
Repenser les procédés de recyclage
2 méthodes
Pyrométallurgie Hydrométallurgie
Favoriser les circuits
cours de recyclage :
Méthode direct
Profiter de la (séparation physique et retraitement )
mine urbaine
Repenser la configuration des batteries
procédés de recyclage
Batterie de type « LEGO »
Changement sélectif des
composants de la batterieConclusions: Les batteries sont elles une bonne
option pour un développement durable ?
Oui mais à quelques conditions
□ Utiliser de l’énergie primaire en provenance
d’énergies renouvelables pour recharger les batteries
□ Développer des matériaux d’électrodes à plus haute Métaux
abondants
capacité et à base de métaux abondants
□ Développer des technologies de batteries plus éco-compatibles
□ Injecter de l’intelligence dans les batteries pour repousser
l'âge pivot de recyclage et autoriser une seconde vie
□ Lancer une politique de recyclage agressive incluant procédés
et circuits courts de récupération et mise en place de normes strictesRemerciements
30
http://www.college-de-france.fr/site/en-college/index.htmVous pouvez aussi lire
